Fizik 2: Elektrik dan Magnetisme: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Hukum Coulomb & medan elektrik

Hukum Coulomb: F = k·|q₁q₂|/r²
Medan cas titik: E = k·|q|/r²
Malar: k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
Daya pada cas: F = q·E

Perintang bersiri & selari

Perintang bersiri: R_eq = R₁ + R₂ + …
Perintang selari: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Dua secara selari: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Hukum Ohm: V = I·R
Kuasa: P = V·I = I²R = V²/R

Kaedah

Mulakan di hujung rangkaian yang paling jauh daripada terminal.
Gabungkan perintang secara bersiri dengan menambahnya, dan perintang secara selari dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Lukis semula litar selepas setiap langkah.
Ulang sehingga tinggal satu perintang antara terminal.

Fana RC & RL

Pemalar masa: τ = RC | τ = L/R
Sambutan: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Kapasitor pada AT: litar buka; v_C tidak boleh melompat
Induktor pada AT: litar pintas; i_L tidak boleh melompat
Mantap: t ≈ 5τ

Kaedah

Cari nilai awal sejurus selepas pensuisan: voltan kapasitor dan arus induktor tidak boleh melompat.
Cari nilai akhir lama selepas pensuisan: kapasitor bertindak sebagai litar buka, induktor sebagai litar pintas.
Cari pemalar masa: τ = RC atau τ = L/R, menggunakan rintangan yang dilihat oleh kapasitor atau induktor.
Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Medan magnet & aruhan

Wayar lurus panjang: B = μ₀I/(2πr)
Pusat gegelung leper: B = μ₀NI/(2R)
Solenoid panjang: B = μ₀nI, n = N/L
Malar: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Daya pada wayar: F = BIL·sin θ
Daya pada cas: F = |q|vB·sin θ
Gerakan membulat: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Wayar selari: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
Fluks: Φ = BA·cos θ
Hukum Faraday: ε = −N·ΔΦ/Δt
Rod bergerak: ε = BLv
Penjana: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
Aruhan: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
Kearuhan saling: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
Pemilih halaju dan spektrometer: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Kaedah

Tukar setiap kuantiti kepada unit SI: cm kepada m, cm² kepada m², mT dan µT kepada T.
Pilih rumus yang betul: B = μ₀I/(2πr) untuk wayar, μ₀NI/(2R) untuk pusat gegelung, μ₀nI di dalam solenoid; F = BIL·sin θ atau |q|vB·sin θ untuk daya.
Untuk aruhan, cari perubahan fluks ΔΦ = Δ(BA·cos θ) dan gunakan ε = N·ΔΦ/Δt, atau ε = BLv untuk rod yang bergerak dan NBAω untuk gegelung berputar.
Cari arah secara berasingan dengan petua tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus teraruh.

Impedans AU & fasor

Impedans: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Frekuensi sudut: ω = 2πf
Magnitud dan sudut: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm fasor: V = I·Z

Kaedah

Tukar frekuensi: ω = 2πf.
Cari setiap reaktans: X_L = ωL dan X_C = 1/(ωC).
Tambah impedans seperti perintang, dengan Z = R + jX.
Cari magnitud |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), kemudian gunakan hukum Ohm dengan fasor.

2Soalan latihan

1.Hukum Coulomb & medan elektrikSederhana

Dua sfera logam kecil yang serupa membawa cas +5 µC dan −4 µC. Kedua-duanya disentuhkan kemudian diletakkan semula berjarak 15 cm. Cari magnitud daya F antara kedua-duanya sekarang. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +5 µCq₂ = −4 µCr = 15 cm

F = N

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Cas +4 µC dan −4 µC berjarak 8 cm antara satu sama lain. Titik P terletak 3 cm dari titik tengah antara kedua-duanya, pada pembahagi dua sama serenjang. Cari magnitud medan elektrik E pada P. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +4 µCq₂ = −4 µCd = 8 cmh = 3 cm

E = N/C

3.Perintang bersiri & selariSederhana

Cari arus I_R1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 18 VR₁ = 3 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 15 Ω

I_R1 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari arus I_R1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 12 VR₁ = 2 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 30 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 15 Ω

I_R1 = A

5.Fana RC & RLSederhana

Induktor tidak membawa arus sebelum suis ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 20 ms.

V_s = 24 VR = 20 ΩL = 220 mHt = 20 ms

i = A

6.Fana RC & RLSukar

Suis telah ditutup untuk masa yang lama, maka litar berada dalam keadaan mantap. Pada t = 0 suis dibuka. Cari voltan kapasitor v_C pada t = 750 ms.

V_s = 20 VR₁ = 10 kΩR₂ = 6.8 kΩC = 47 µFt = 750 ms

v_C = V

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Gegelung 10 lilitan mempunyai luas 25 cm². Gegelung berada dalam medan seragam 0.2 T yang berserenjang dengan satahnya, dan medan dimatikan dalam 10 ms. Cari d.g.e. teraruh purata ε.

N = 10A = 25 cm²B = 0.2 TΔt = 10 ms

ε = mV

8.Medan magnet & aruhanSukar

Deuteron bermula dari rehat, dipecutkan melalui beza keupayaan 2500 V dan kemudian memasuki medan magnet seragam 0.8 T pada sudut tepat. Cari jejari r lintasannya dalam medan.

m = 3.344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0.8 T

r = cm

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 10 V (rms), 50 Hz. Cari sudut fasa φ impedans, dalam darjah (positif apabila arus ketinggalan daripada voltan).

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µF

φ = °

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC siri digerakkan oleh sumber 2 V (rms) yang frekuensinya ditetapkan pada frekuensi resonans litar. Cari voltan rms V_L merentasi induktor.

V = 2 V (rms)R = 20 ΩL = 100 mHC = 0.47 µF

V_L = V

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 0.09989 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Cas selepas bersentuhan

q′ = (5 + −4)/2 = 0.5 µC

Daya baharu

F = 8.99 × 10⁹·(0.5 × 10⁻⁶)²/0.15² = 0.09989 N

Jawapan

F = 0.09989 N

Kedua-dua sfera kini membawa tanda yang sama, maka ia saling menolak.

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 2.301 × 10⁷ N/C

Jarak dan medan satu cas

r = √(4² + 3²) = 5 cm

E₁ = k·4 × 10⁻⁶/0.05² = 1.438 × 10⁷ N/C

Komponen

Komponen di sepanjang pembahagi dua sama saling membatalkan.

E = 2·E₁·(a/r) = 2·1.438 × 10⁷·0.8 = 2.301 × 10⁷ N/C

Jawapan

E = 2.301 × 10⁷ N/C

Medan menghala selari dengan garis dari cas positif ke arah cas negatif.

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 1.892 A

Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R₃ + R₄ = 20 + 15 = 35 Ω

R₂ ∥ 35 = 8·35/(8+35) = 6.512 Ω

R_eq = R₁ + 6.512 = 3 + 6.512 = 9.512 Ω

Arus daripada sumber

Sumber hanya melihat R_eq, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 18/9.512 = 1.892 A

Jawapan

I_R1 = 1.892 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 1.657 A

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R₅ + R₆ = 12 + 15 = 27 Ω

R₄ ∥ 27 = 11.49 Ω

R₃ + 11.49 = 41.49 Ω

R₂ ∥ 41.49 = 5.242 Ω

R_eq = R₁ + 5.242 = 2 + 5.242 = 7.242 Ω

Arus daripada sumber

Sumber hanya melihat R_eq, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 12/7.242 = 1.657 A

Jawapan

I_R1 = 1.657 A

5.Fana RC & RL

Jawapan: i = 1.005 A

Fana peringkat pertama: dalam litar dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap voltan dan arus bergerak secara eksponen daripada nilai awalnya kepada nilai akhirnya: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Selepas kira-kira 5τ litar telah mantap.

Pemalar masa dan arus akhir

Lama selepas suis ditutup, induktor berkelakuan seperti litar pintas, jadi arus akhir ditentukan oleh R sahaja.

τ = L/R = 220 mH / 20 Ω = 11 ms

i(∞) = V_s/R = 24/20 = 1.2 A

Arus pada masa yang diberi

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 1.2·(1 − e^−20/11) = 1.005 A

Jawapan

i = 1.005 A

6.Fana RC & RL

Jawapan: v_C = 0.7746 V

Voltan awal kapasitor

Dalam keadaan mantap kapasitor ialah litar terbuka, maka R₁ dan R₂ membentuk pembahagi voltan. Voltan kapasitor tidak boleh melompat apabila suis dibuka.

v_C(0) = 20·6.8/(10 + 6.8) = 8.095 V

Pemalar masa selepas suis dibuka

τ = R₂·C = 6.8·47 = 319.6 ms

Nyahcas

v_C(t) = 8.095·e^−750/319.6 = 0.7746 V

Jawapan

v_C = 0.7746 V

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ε = 500 mV

Aruhan elektromagnet: fluks melalui gelung ialah Φ = BA·cos θ, dengan θ antara B dengan normal gelung. Hukum Faraday: perubahan fluks mengaruhkan d.g.e. = −N·dΦ/dt dalam gegelung N lilitan, dan hukum Lenz menyatakan bahawa arus teraruh mengalir supaya medannya sendiri menentang perubahan itu. Rod yang bergerak merentasi medan memberi d.g.e. = BLv. Gegelung yang berputar pada ω memberi e = NBAω·sin ωt, dengan puncak NBAω. Kearuhan kendiri: d.g.e. = −L·di/dt, dengan L = μ₀N²A/l bagi solenoid yang panjang, dan tenaga tersimpan ialah W = ½LI². Dua gegelung berganding: d.g.e.₂ = −M·di₁/dt dengan M = k√(L₁L₂).

Perubahan fluks bagi setiap lilitan

ΔΦ = 0.2·0.0025 = 0.0005 Wb

D.g.e. purata

ε = NΔΦ/Δt = 10·0.0005/0.01 = 0.5 V

Jawapan

ε = 500 mV

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: r = 1.277 cm

Daya magnet: wayar lurus yang membawa I dalam medan B mengalami F = BIL·sin θ, dan cas yang bergerak mengalami F = |q|vB·sin θ, dengan θ ialah sudut antara arus (atau halaju) dengan B. Daya itu berserenjang dengan kedua-duanya: halakan jari tangan kanan sepanjang I atau v, lengkungkan ke arah B, dan ibu jari memberi F bagi cas positif; songsangkan bagi cas negatif. Oleh sebab F berserenjang dengan v, cas yang bergerak merentasi medan seragam bergerak dalam bulatan: |q|vB = mv²/r memberi r = mv/(|q|B) dan tempoh T = 2πm/(|q|B), yang tidak bergantung pada laju. Dua wayar selari saling menarik bagi arus dalam arah yang sama: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Laju selepas pecutan

v = √(2|q|V/m) = √(2·1.602 × 10⁻¹⁹·2500/(3.344 × 10⁻²⁷)) = 489422 m/s

Jejari dalam medan

r = mv/(|q|B) = 0.01277 m = 1.277 cm

Jawapan

r = 1.277 cm

Digabungkan: r = √(2mV/|q|)/B, maka ion yang lebih berat dengan cas yang sama bergerak pada bulatan yang lebih besar; inilah yang mengasingkan isotop.

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: φ = −50.44 °

Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktans

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s

X_L = ωL = 314.2·0.1 = 31.42 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314.2·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

Impedans

Dalam sambungan bersiri impedans ditambah sebagai nombor kompleks: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (−36.31)²) = 47.1 Ω

Sudut fasa

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−36.31/30) = −50.44°

Jawapan

φ = −50.44°

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: V_L = 46.13 V

Salunan

Pada resonans reaktans saling membatalkan, maka impedans hanyalah R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·0.47·10⁻⁶) = 4613 rad/s

I = V/R = 2/20 = 0.1 A

Voltan merentasi induktor

X_L = ω₀L = 4613·0.1 = 461.3 Ω

V_L = I·X_L = 0.1·461.3 = 46.13 V

Jawapan

V_L = 46.13 V

Ini ialah Q = 23.06 kali voltan bekalan.

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism